一种基于非对称布拉格光栅的模式转换器

摘要

本发明公开了一种基于非对称布拉格波导光栅的模式转换器，包括一个对称Y分叉波导、一段单模输入波导、一段非对称布拉格波导光栅、一段单模输出波导，该布拉格波导光栅设计在脊波导的一侧边上，由于其折射率的周期性微扰作用，使得波导内的TE和TM模之间发生耦合，本发明实现了TE模和TM模之间的转化功能，具有设计结构简单、带宽大、尺寸紧凑和制作容差大等特点；器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便低成本制造，可广泛应用于片上高密度集成的高速光通信系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光的模式转换集成器件，特别是涉及一种基于非对称布拉 格光栅的模式转换器。

背景技术

随着当今社会的不断发展，人们对网络数据量的需求不断增长，对提高通 信网络速度的要求越来越迫切。目前光通信网络正肩负着这历史使命，朝着低 成本、大容量和高速度的目标前进。如今40Gb/s的光传送网已经广泛运用，而 100Gb/s的光网络正处于蓬勃发展阶段。在速度超过100Gb/s的光网络中采用标 准化的编解码方式已经达成共识，这种编码方式是基于相干接收的双偏振正交 相移键控调制技术(PM-QPSK)。在PM-QPSK中需要对光信号进行偏振转换、分 离和合成，偏振控制器是构成相干接收器的关键器件。

模式转换器是模式控制器的一个重要组成部分，它能把在波导传输光的偏 振方向旋转90度，也就是能将波导中的横电模式(TE)旋转为横磁模式(TM)， 也可以将TM模式旋转为TE模式。目前提出的模式转换器主要是基于三种结构： 第一种是采用L型波导结构，它能实现两种模式的相互转换，但是其不足之处 是存在严格的拍长，需要对器件的长度精心控制；第二种是基于定向耦合器的 结构，该结构只能实现单一模式的转换，如从TE模式到TM模式，或TM模式到 TE模式，并且也存在严格的耦合长度，工艺容差小；第三种是基于渐变型波导 的结构，该结构可以实现模式相互转换，但是波导的高度发生突变，不利于光 的输入或输出。

因此，研制出结构简单、功耗更低、易于集成和制作的模式转换集成器件， 是今后发展片上集成光通信技术的重要而有意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非对称布拉格光栅的模式转换器，结构简 单、功耗更低、易于集成和制作。

本发明一种基于非对称布拉格光栅的模式转换器，包括单模输入波导、对 称Y分叉波导、单模输出波导，非对称布拉格波导光栅；单模输入波导和单模 输出波导分别与对称Y分叉波导的两个分支波导连接，对称Y分叉波导的主干 波导与非对称布拉格波导光栅连接，单模输入波导通过对称Y分叉波导将TE/ TM模输入到非对称布拉格波导光栅中，所述的非对称布拉格波导光栅是通过在 波导一侧边上刻蚀一维周期单元形成的，该周期满足单模波导中TE和TM模之 间发生耦合的相位匹配条件，该非对称布拉格波导光栅将在其中传输的TE/TM 模旋转90度，转换为TM/TE模，并将其反射回去，经过对称Y分叉波导从单 模输出波导输出。

所述的单模输入波导、对称Y分叉波导、单模输出波导和非对称布拉格波 导光栅为支持TE和TM模的脊形波导。

所述的非对称布拉格波导光栅的光栅齿设计在波导的一个侧边上。

所述的构成非对称布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。

本发明具有的有益效果是：

1、结合非对称布拉格光栅的运用实现了单模波导中TE模式和TM模式间发 生转换，具有转换效率高，无拍长和容差大等特点。

2、器件设计结构简单，尺寸紧凑。

3、器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便 低成本制造，可广泛应用于片上高密度集成的光互连通信系统。

附图说明

图1是本发明基于非对称布拉格波导光栅的模式转换器的结构图；

图2是图1中脊形波导的剖面图；

图3是图1中布拉格光栅的周期单元形状为矩形的实施例图；

图4是图1中非对称布拉格波导光栅的俯视图。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

图标说明：1、单模输入波导

2、对称Y分叉波导

3、单模输出波导

4、非对称布拉格波导光栅

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于非对称布拉格光栅的模式转换器，包括一个 单模输入波导1、对称Y分叉波导2、单模输出波导3和非对称布拉格波导光栅 4，其中单模输入波导1和单模输出波导3分别与对称Y分叉波导2的两个分支 波导连接；非对称布拉格波导光栅和对称Y分叉波导2的主干波导连接。

如图1所示，单模输入波导1通过对称Y分叉波导2将TE(TM)模输入到 非对称布拉格波导光栅4中，非对称布拉格波导光栅4将在其中传输的TE(TM) 模旋转90度，即转换为TM(TE)模，并将其反射回去，经过对称Y分叉波导2 从单模输出波导3输出。

如图1、图3和图4所示，所述的非对称布拉格波导光栅4是通过在波导一 侧边上刻蚀一维矩形周期单元形成的，布拉格波导光栅4的周期满足单模波导 中的TE模和TM模之间发生耦合的相位匹配条件，由于布拉格波导光栅4折射 率的周期性微扰作用，使得波导内的TE和TM模之间发生耦合。

为满足不同尺寸的单模波导内TE和TM模转换的要求，需要设计不同的布 拉格光栅周期，可以通过以下公式获得：

${\beta }_{TE}+{\beta }_{TM}=\frac{2\pi }{\Lambda }---\left(1\right)$

式中Λ为光栅的周期，β_TE为单模波导TE模的传播常数，β_TM为单模波导TM 模的传播常数。

如图1所示一种实施例，本发明提及的基于非对称布拉格波导光栅的模式 转换器由传统的单模波导、对称Y分叉波导和非对称布拉格波导光栅构成，该 器件所有组成部分皆位于同一平面内。图1中的所有单模波导1、3，对称Y分 叉波导2和非对称布拉格波导光栅4，皆采用图2所示的脊形波导。

实施例：

如图1和图4所示，采用顶层硅厚为340nm、二氧化硅埋层2μm的绝缘层 上硅(SOI)材料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻或电子束直写光刻获 得硅刻蚀掩膜，通过两次硅干法刻蚀，制作出内脊宽450nm和外脊宽5μm的 硅脊形波导，外脊高为120nm。所述的非对称布拉格波导光栅的光栅齿是设计 在波导的一个侧边上，即波导的一侧边刻蚀布拉格波导光栅，矩形光栅齿为150 nm，光栅齿的深度为220nm，光栅的周期为300nm。

上述实施例中的光栅周期参数是针对450nm宽度的脊波导设计的，器件也 适合其它宽度的脊波导，也适用于不同的顶层硅厚度的脊波导，只需改变不同 的光栅周期参数，模式转换功能即可实现。整个器件只需经过两次刻蚀即可完 成制作。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本 发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落 入本发明的保护范围。